Park, Dong Jun;Jung, Yang Il;Park, Jung Hwan;Lee, Young Ho;Choi, Byoung Kwon;Kim, Hyun Gil
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.10
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pp.2299-2305
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2020
Zr alloy specimens were coated with Cr-Al alloy to enhance their resistance to oxidation. The coated samples were oxidized at 1200 ℃ in a steam environment for 300 s and showed extremely low oxidation when compared to uncoated Zr alloy specimens. The microstructure and elemental distribution of the oxides formed on the surface of Cr-Al alloys have been investigated by transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). A very thin protective layer of Cr2O3 formed on the outer surface of the Cr-Al alloy, and a thin Al2O3 layer was also observed in the Cr-Al alloy matrix, near the surface. Our results suggest that these two oxide layers near the surface confers excellent oxidation resistance to the Cr-Al alloy. Even after exposure to a high temperature of 1200 ℃, inter-diffusion between the Cr-Al alloy and the Zr alloy occurred in very few regions near the interface. Analysis of the inter-diffusion layer by high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) measurement confirmed its identity as Cr2Zr.
The effect of alloying elements of Ag-Cu-Zr-X brazing alloy on the microstructure and the bond strength of $Al_2O_3/Ni-Cr$ brazed steel joint was investigated. The reaction layer, $ZrO_2$ (a=5.146 ${\AA}$ , b=5.213 ${\AA}$ , c=5.311 ${\AA}$ )was formed at the interface of $Al_2O_3/Ni-Cr$ steel joint by the redox reaction between alumina and Zr. The addition of An and Al to the Ag-Cu-Zr brazing alloy gave rise to changes in the thickness of the reaction product layer and the morphology of the brazement. Sn caused the segregation of Zr was decreased b Al the $ZrO_2$ layer formed at the Ag-Cu-Zr-Al alloy was thinner than that of $ZrO_2$ formed at the Ag-Cu-Zr-An alloy. The fracture shear strength was strongly dependent on the microstructure of the brazement. Brazing with Ag-Cu-Zr-Sn alloy resulted in a better bond strength than with Ag-Cu-Zr or Ag-Cu-Zr-Al alloy.
The surface-reacted layer of titanium castings greatly affects their mechanical properties. This study analyzed the interfacial zone of Ti-20%Zr-5%Cr alloy castings obtained from phosphate bonded investment and examined the relationship between the surface-reacted layer and hardness. The Vickers hardness of cast disks were tested at 20$\mu m$ intervals from the surface to 120$\mu m$ in depth. The cross-section was observed metallurgically, and line profile of the reacted layer was conducted under the EDX. The surface-reacted layer of Ti-20%Zr-5%Cr alloy is showed a similar tendency to Ti-6%Al-4%V alloy in thickness, and also Si diffusion in multiple reacted layer of Ti-20%Zr-5%Cr alloy is less than cp Ti and similar to Ti-6%Al-4%V alloy. The Vickers hardness in the surface layer was greater than in the inner part, and the Vickers hardness of Ti-20%Zr-5%Cr alloy ranged 650 to 390 and cp Ti ranged 810 to 160, Ti-6%Al-4%V alloy ranged 710 to 530 respectively.
Eutectic reactions of five kinds of Cr-coated Zr alloy cladding with different base materials (Zr-Nb-Sn alloy or Zr-Nb alloy), different coating thicknesses (6~22.5 mm), and different coating materials (Cr single layer or Cr/CrN bilayer) were studied using Differential Scanning Calorimetry (DSC). The DSC experiments demonstrated that the onset temperatures of the Cr single layer coated specimens were almost identical to ~1308 ℃, regardless of base materials or coating thicknesses. This study demonstrated that the Cr/CrN bilayer coated Zr-Nb-Sn alloy has a slightly (~10 ℃) higher eutectic onset temperature compared to the single Cr-coated specimen. The eutectic region characterized by post-eutectic microstructure proportionally increases with coating thickness. The post-eutectic characterization with different holding times at high temperature (1310-1330 ℃) reveals that progression of Zr-Cr eutectic requires time, and it dramatically changed with exposure time and temperature. The practical value of the time gain in non-instantaneous eutectic formation in terms of safety margin, however, seems to be limited.
Since the 1990s, the second generation of Zirconium alloys containing main alloy compositions of Nb, Sn and Fe have been used as a replacement of Zircaloy-4 (Zr-Sn-Fe-Cr), a first-generation Zirconium alloy, to meet severe and rigorous reactor operating conditions characterized by high-burn-up, high-power and high-pH operations. In this study, the mechanical properties and creep behaviors of Zr-Sn-Fe-Cr and Zr-Nb-Sn-Fe alloys were investigated in a temperature range of $450{\sim}500^{\circ}C$ and in a stress range of $80{\sim}150\;MPa$. The mechanical testing results indicate that the yield and tensile strengths of the Zr-Nb-Sn-Fe alloy are slightly higher compared to those of Zr-Sn-Fe-Cr. This can be explained by the second phase strengthening of the $\beta$-Nb precipitates. The creep test results indicate that the stress exponent for the steady-state creep rate decreases with the increase in the applied stress. However, the stress exponent of the Zr-Sn-Fe-Cr alloy is lower than that of the Zr-Nb-Sn-Fe alloy in a relatively high stress range, whereas the creep activation energy of the former is slightly higher than that of the latter. This can be explained by the dynamic deformation aging effect caused by the interaction of dislocations with Sn substitutional atoms. A higher Sn content leads to a lower stress exponent value and higher creep activation energy.
Kim, Jeong-Min;Lee, Jae-Cheol;Kim, Il-Hyun;Kim, Hyun-Gil
Korean Journal of Materials Research
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v.27
no.10
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pp.563-568
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2017
In this study, the coating of an Al-Cr layer on the surface of a Zircaloy-4 alloy was carried out through plasma pretreatment coating and a laser surface melting process. Two different conditions for laser treatment, severe or minimal surface melting of the Zr alloy substrate, were applied to form the final coating. When there was significant surface melting of the Zr alloy, the solidification microstructure of the newly formed coating layer was mainly composed of needle-shaped $Al_3Zr$, Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases. On the other hand, the solidification microstructure of the coating layer was mainly composed of Al(Cr) and $Al_7Cr$ phases when there was minimal surface melting of Zr base in the laser process. However, when the coating was maintained at $1100^{\circ}C$ for 2 hours, significant inter-diffusion occurred between the phases in the coating. As a result, the upper part of the coating layer was observed to mainly consist of $Al_3Zr$ and $Al_8Cr_5$ phases, regardless of the laser treatment conditions.
Purpose: The grindability of Ti-10%Zr-X%Cr(X=0,1,3) alloys in order to develop Ti alloys for dental applications with better machinability than unalloyed titanium has been evaluated. Methods: Experimental Ti-10%Zr-X%Cr(X=0,1,3) alloys were made in an argon-arc melting furnace. Slabs of experimental alloys were ground using a SiC abrasive wheel on an electric handpiece at one of the four rotational speeds of the wheel (12000, 18000, 25000 or 30000rpm) by applying a force(100gf). Grindability was evaluated by measuring the amount of metal volume removed per minute(grinding rate) and the volume ratio of metal removed compared to the wheel material lost, which was calculated from the diameter loss (grinding ratio). Experimental datas were compared the results with those of cp-Ti(commercially pure titanium) Results: It was observed that the grindability of Ti-10%Zr-X%Cr(X=0,1,3) alloys increased with an increase in the Cr concentration. More, they are higher than cp-Ti, particularly the Ti-10%Zr-3%Cr alloy exhibited the highest grindability at all rotational speeds except 12000rpm. There was significant difference in the grinding rate and grinding ratio between Ti-10%Zr-3%Cr alloy and cp-Ti at all rotational speeds(p<0.05). Conclusion: The Ti-10%Zr-3%Cr alloy exhibited better grindability at high rotational speeds, great potential for use as a dental machining alloy.
Journal of Dental Rehabilitation and Applied Science
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v.32
no.3
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pp.194-201
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2016
Purpose: The purpose of this study was to evaluate of Zirconium Nitride (ZrN) coating on shear bond strength with denture base resin in Co-Cr and Ti-6Al-4V alloy. Materials and Methods: Co-Cr and Ti-6Al-4V alloy disks (10 mm in diameter, 2.5 mm in thickness; each other: n = 14) were prepared and divided with 2 groups each other by ZrN coating. After primer was applied to disks surface, denture base resin with diameter 6 mm, height 5 mm was bonded on metal disk surface. After surface roughness was measured by Profiler, shear bond strength was determined with Universal testing machine and analyzed with two-way ANOVA. The specimen surfaces and failure mode were examined using a scanning electron microscope. Results: ZrN coated groups showed significantly higher rough surface than non-coated groups (P < 0.05). Irrespective of alloy materials, shear bond strength of ZrN coated groups were lower than non-coated groups (P < 0.001). The scanning electron microscope (SEM) of ZrN coated groups showed mixed and adhesive fractures. Conclusion: ZrN coating weakened bonding strength between denture base resin and Co-Cr, Ti-6Al-4V alloy.
The active metal brazing was applied to bond Alumina and Ni-Cr steel by Ag-Cu-Zr-Sn alloy and the interfacial microstructure and reaction mechanism were investigated. Polycrystalline monoclinic $ZrO_2$ with a very fine grain of 100-150 nm formed at the alumina grain boundary contacted with Zr segregation layer at the interface. The $ZrO_2$ layer containing the inclusions and cracks were developed at the boundary of inclusion/$ZrO_2$ due to the difference in specific volume. The development of $ZrO_2$ at the interface was successfully explained by the preferential penetration of $ZrO_2$ at the interface was successfully explained by the preferential penetration of Zr atoms a higher concentration of oxygen and a high diffusion rate of Al ions into molten brazing alloy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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